混凝土中鋼筋腐蝕電化學監測技術綜述

陳衛芳 徐東海

浙江省水利河口研究院（310020）

混凝土中鋼筋腐蝕電化學監測技術綜述

陳衛芳 徐東海

浙江省水利河口研究院（310020）

這里介紹了混凝土中鋼筋腐蝕的電化學機理，分析并且評價了幾種鋼筋腐蝕的電化學監測技術，希望為同行提供參考。

鋼筋混凝土；腐蝕；監測

0 前言

引起混凝土破壞失效的原因有鋼筋腐蝕、混凝土碳化、堿基料反應和凍融破壞，鋼筋腐蝕的危害最為嚴重。混凝土中鋼筋腐蝕的本質是電化學過程，因此電化學測量方法是反映其腐蝕過程的有力手段。與其他方法（分析法或物理法）相比，電化學方法有測試速度快、靈敏度高、可連續跟蹤和原位測量等優點[1]。這里針對混凝土中鋼筋腐蝕的機理及其監測技術進行一定的總結和探討。

1 混凝土中鋼筋腐蝕原理

鋼筋腐蝕主要是電化學反應，即在鋼筋表面不同電位區域形成陰極和陽極；并且陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態，可以釋放出電子，在陰極部位的鋼筋表面同時存在足夠的水和氧。鋼筋腐蝕電化學反應如圖1所示[2]。鋼筋腐蝕反應方程式如下所示:

圖1 混凝土中鋼筋腐蝕過程的示意圖

陰極、陽極反應生成的鐵離子和氫氧根離子結合生成氫氧化亞鐵:

氫氧化亞鐵與水中的氧作用可生成氫氧化鐵:

鋼筋電化學反應中生成的物質俗稱鐵銹，鐵銹是鋼材完全喪失原有力學性能的分離物，由此造成結構鋼筋斷面面積的減損，并且其體積是鐵體積的2～6倍，產生后會導致混凝土保護層開裂、剝落，使水分更容易進入，促使腐蝕加快發展。鐵銹是一種多孔物質，富于透氣性和透水性，因而不論腐蝕層有多厚，都對內部的鋼材失去保護作用。

2 鋼筋腐蝕的電化學監測技術

檢測鋼筋混凝土腐蝕的電化學方法主要有如下幾種[3，4]:①半電池電位法、②線性極化法、③電化學阻抗譜、④電阻率法、⑤電化學噪聲法。

2.1 半電池電位法

半電池電位法是實際工程中最常用的定性判斷混凝土中鋼筋是否銹蝕及銹蝕程度的方法[5-7]。其基本原理是:在陽極和陰極區間存在一定的電位差以維持電子流動并導致鋼筋的銹蝕。這種方法一般是通過量測鋼筋和一個放在混凝土表面的參比電極(稱作半電池，如銅、硫酸銅)之間的電位差，來實現對鋼筋腐蝕狀態的監測，如圖2所示。該方法主要要求與鋼筋有一個良好的電接觸以及一個高阻抗范圍的電壓表。ASTM C876標準中規定[6]:腐蝕電位大于-0.2 V，鋼筋發生腐蝕的概率為10%；腐蝕電位處于-0.2 V和-0.35 V之間,鋼筋發生腐蝕的概率為50%；腐蝕電位小于-0.35 V，鋼筋發生腐蝕的概率大于90%。

圖2 半電池電位法原理圖

半電池電位法是一種無損檢測技術,使用方便，但是不足之處很明顯:1）不能得到鋼筋腐蝕速度；2）混凝土碳化和濕度對測量準確度影響很大。

2.2 線性極化法

線性極化法是首先測量混凝土內鋼筋的極化電阻，然后由Stern-Geary公式計算其腐蝕速度的電化學測試方法。Stern-Geary公式:

其中，鋼筋處于腐蝕狀態，B取52；鋼筋處于鈍化狀態，B取26。

線性極化法的優點是可以得到混凝土內部的鋼筋腐蝕速度。但是比起半電池電位法，不僅需要參比電極，還需要一個穩定的對電極。此外，混凝土結構中實際長度較長的鋼筋，收到極化擾動的表面積難以準確確定，陰陽極間混凝土電阻也難直接測量，因此測試數據的精度也有一定誤差。目前，解決這一問題一般采用護環技術。

2.3 電化學阻抗譜

1978 年Dawson首先運用交流阻抗譜方法研究鋼筋混凝土中的腐蝕行為。隨后，電化學阻抗譜測量逐漸成為試驗室研究鋼筋混凝土腐蝕的常用方法。測量時對鋼筋混凝土體系施加小幅交流電壓(電流)信號，從電流(電壓)響應來計算出電極反應參數，輸入與輸出信號之間呈線性關系。交流阻抗測量可提供有關鋼筋混凝土界面的雙電層電容、混凝土電阻、鋼筋腐蝕速度及混凝土腐蝕機理等信息[8，9]。交流阻抗法是一種暫態頻譜分析技術，施加的電信號對腐蝕體系的影響較小。通過測得的鋼筋阻抗譜和混凝土阻抗譜可以分析出鋼筋腐蝕變化和混凝土的組織變化。但是，此法采用的儀器昂貴，測量費時，數據處理復雜，且與混凝土構件的幾何尺寸有關，不適用于野外現場檢測。

2.4 電阻率法

混凝土的導電性能是水泥漿體孔隙液中離子流動時發生的電解過程。工程中經常用混凝土的電阻率(電導率倒數)來衡量混凝土的導電性能?；炷恋碾娮杪首兓秶艽?，可以從干燥時的1011Ω·cm變化到飽水時的103Ω·cm。在自然環境中，混凝土含水率為20%～100%都是可能的，相應的其電阻率分別可以為6×106～7×102Ω·cm。對于混凝土中鋼筋腐蝕過程的各個階段來講，混凝土電阻率都是一個重要參數。試驗室與現場研究已證實，對于普通硅酸鹽混凝土,在20℃時其電阻率和鋼筋腐蝕幾率的關系如表1所示[10]。但是，需要指出的是，混凝土中濕度對電阻率測試結果影響很大。

表1 混凝土電阻法測定鋼筋腐蝕幾率特征值

2.5 電化學噪聲法

電化學噪聲(ECN)測試技術是研究腐蝕的有效手段之一，通常用于工業現場腐蝕監測[11，12]。ECN裝置一般由預埋的三電極組成，其中兩個工作電極的尺寸、材質和表面狀態完全相同。伴隨著腐蝕過程，兩個電極的電位、電流發生波動，這種波動稱為電化學噪聲。電化學噪聲測試裝備簡單，成本低，可以測出腐蝕位置(區域)，比如點蝕的測量。但是其測量的數據不穩定，引起電阻Rn的不準確,而且數據及譜圖處理難度大。如何合理解釋分析獲得的數據，描述數據特征也是ECN測試的難點。

3 結論

目前已經開發出多種鋼筋混凝土的腐蝕防護與監測技術,同時也有許多成功的工程應用實例。但是每種方法都有其顯著的缺點。因此，希望通過不斷改進和完善防護和監測技術，解決和改進鋼筋混凝土的性能劣化問題,提高工程服役的安全性。

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